TMSR-SF1保護系統模擬裝置數據管理系統的設計與開發

趙金嬋 劉 燁 后 接

1(中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800)2(中國科學院大學 北京 100049)

0 引 言

釷基熔鹽堆核能系統TMSR是中科院先導研究專項之一，其戰略性目標是研發第四代裂變反應堆核能系統。反應堆保護系統RPS(Reactor Protection System)在啟動和運行過程中的目的是保證反應堆的安全，限制反應堆在允許的范圍內運行，緩解事故后果，保護環境及人員的安全[1]。

TMSR-SF1(10MW固態燃料釷基熔鹽實驗堆)擬自主研制基于FPGA的數字化保護系統。TMSR-SF1保護系統可靠性分析是樣機研制中的一項重要工作。2015年7月，國家核安全局發布了《關于開展核電廠設備可靠性數據采集工作的通知》，要求各核電廠運營單位開展核電廠設備可靠性數據采集工作[2]。根據TMSR仿真堆保護系統設計方案，保護系統技術規格說明書，在保護系統設計階段，有必要進行測試驗收。一方面是FPGA板卡和模塊板卡的性能測試，另一方面是信號處理和邏輯處理的功能測試。

當今世界上凡是擁有核電的國家，對建立核電廠數據庫的工作極為重視。如美國核電運行研究所、日本核情報信息中心等，都建立了核電運行信息系統，實現了核電領域的運行經驗反饋。我國核電事業進入發展階段，核動力運行研究所的邵菊英等研制了核電廠運行數據庫；中國原子能科學研究院反應堆工程研究設計所的楊坤等研究設計了有關于反應堆退役廢物信息的管理系統；海南核電有限公司的王靜等分析研究了核電設備可靠性數據庫的建立，對核電廠各方面的數據管理需求提出了研究方案。本文的數據管理平臺是在借鑒國內外核電廠信息系統的基礎上，結合TMSR-SF1保護系統數據的特點，獨立設計開發的系統。根據TMSR-SF1保護系統模擬裝置的測試大綱要求，自主研究設計了獲取測試數據的采集方案和獲取了部分測試數據。在此基礎上探索保護系統信息管理平臺的功能和需求，從管理員和普通用戶的角度出發，分析了數據處理流程，設計了信息管理平臺為現有文件資料的歸檔整理及相關數據的查詢和統計分析等提供了技術保障和實現方法。該系統選擇基于數據庫技術的數據存儲，通過確定數據結構把關聯表格通過完整性約束進行關聯，使用軟件開發技術進行上層應用的開發，實現了數據管理的需求。與傳統的文件管理方式相比，該系統提高了檢索、分析、統計數據的速度，也提高了工程管理人員的工作效率。

1 數據管理的需求分析

反應堆的安全運行是以組成系統設備的安全運行為基礎的。為了提高設備運行的可靠性、安全性和有效性，需對設備進行科學系統全面的管理，建立有效的設備可靠性管理體系[3]。保護系統的范圍包括從與參數測量有關的敏感元件，到產生保護動作的電氣部件、機械部件及電纜等。采用試驗法進行質量鑒定，即通過對工程樣機實體進行必要的試驗，確認系統的功能、性能和環境適應性是否滿足項目法規、標準規定的要求；評價樣機的可靠度水平是否能夠達到既定的目標，樣機組成的系統是否符合安全性有效性指標要求。

TMSR-SF1保護系統模擬裝置的設計是在FPGA中實現的，系統的自主研制歷經原理樣機、原型樣機、工程樣機階段。各個階段的研制和測試過程產生了大量的文件和數據，文件資料包括：設計文件、電路設計圖、原理樣機文件、原型樣機文件、系統安裝圖、系統設計圖、設備明細表單等。數據資料包括：設計數據、可靠性數據、定值數據、元器件清單以及測試驗收過程中產生的大量試驗數據等。保護系統的設計文件以及前期測試數據是確保工程質量的重要內容。如果通過原始文件的形式查閱大量資料，是一項復雜而又浪費人力的工作。而對于TMSR核能保護系統數據管理目前尚沒有一個更好的解決方案，設計和開發便于保護系統研制的數據管理系統對于安全級保護系統的研制乃至其他系統的研制和驗證過程都是一個有益的嘗試。

保護系統模擬裝置的數據管理系統，主要面向工程管理人員和有工程數據使用權限的人員。為保證系統的安全高效性，按照應用需求和數據使用、分析關系，簡潔梳理、分析了幾類用戶的數據處理類型及流程：

(1) 文件管理。管理員根據文件資料類型建立資料庫，進行文件的分類上傳、修改、刪除等操作。用戶可以根據文件的名稱屬性、版本屬性訪問查詢下載的功能。

(2) 數據管理。管理員對測試數據分類錄入，把原始測試數據和計算所得誤差數據分類存儲，以便數據的統計分析。用戶按照分類查詢測試表，得到測試數據。

(3) 統計分析。管理員及用戶根據測試板的誤差數據，繪制誤差分析曲線，分析測試性能及測試結果。

(4) 用戶管理。管理員用戶對普通用戶具有管理權限，給工程內部人員分配使用權限，登記新的用戶信息，定期清除工程外用戶。

具體的數據處理流程如圖1所示。

圖1 數據處理流程圖

2 數據獲取

可靠性數據包括可靠度、失效率和平均故障時間等[5]。使用手冊查得每個元件的各個參數，計算元件的應用失效率。將子卡中所有元件的失效率疊加，可得到相應單元總的失效率[6]。測試數據是可靠性數據的重要組成部分，為保護系統安全運行提供著數據支持。保護系統模擬裝置的數據管理系統分為文件管理和數據管理兩部分。文件資料大部分來自于工程設計，而測試數據需要設計測試方案，搭建測試平臺，最終得到測試數據。測試數據的采集根據試驗數據采集的處理原則：應國家核安全局要求，核與輻射安全中心于2012年初完成了《核電廠設備可靠性數據采集》初稿，文件參考了NUREG/CR-6823國內運行核電廠在設備可靠性數據采集方面的實踐經驗，同時也充分考慮了保護系統安全分析工作中在數據分析方面的要求，設計了保護系統試驗數據的采集方案[4]。

對不同類型的測試設計不同的測試方案。板卡的電源短路檢查，通過萬用表測量板卡的電源電阻，測量各個板卡電源對地電阻是否大于200 Ω，記錄電源電阻測試結果并錄入電子表格。性能測試通過搭建測試平臺收集數據，選擇NI PXI 6602機箱作為信號源，連接到保護系統機箱，在PCI計算機上搭建LABVIEW程序，控制信號產生與數據收集，如圖2所示。程序需設置接口波特率，數據比特長度等匹配NI PXI機箱中測試源信號。根據數據的精度分析需求誤差值小于0.5%，數據采集精度應至少保留4位小數。在測試時輸入誤差計算公式，可以同時計算出測試誤差，并記錄在誤差表中，便于進一步分析。

圖2 測試硬件連接圖

在板卡性能測試中，由于板卡類型種類多樣，根據不同類型板卡的測試需求需要NI PXI 6602機箱提供相應的源信號以獲取不同的測試結果，測試要求如表1所示。通過LABVIEW搭建測試平臺，實現端口的讀寫控制，設定讀寫周期，自動獲取測試數據并實時記錄。在試驗過程中發送性能測試所需信號量，再將接收到的十六進制編碼按照規則解碼，得到最后結果。這是測試過程中數據的主要來源和對板卡分析的重要依據，把采集到的數據記錄到電子表格中，再通過數據庫的接口管理，導入數據到數據庫中，分析數據的邏輯結構以便進一步的軟件開發。

表1 性能測試信息表

功能模塊測試主要針對通信協議的發送及解析，各個子模塊之間采用的協議各不相同，需要逐一進行測試。通信協議分為狀態顯示類、關鍵數據傳輸類以及操作指令類。

測試時，測試設備按照協議格式，向待測模塊發送正確的數據，測試其是否進行了正確地解析以及執行相關的操作。另外，還會向待測設備發送錯誤的數據，測試其是否能夠進行識別并且不會錯誤操作。待測設備的輸出數據也會發送給測試設備，然后人為比較其是否與既定的協議相同，且輸出正確的數據。一旦輸入或輸出出現錯誤則分析原因進行修正。各個子模塊的輸入輸出采取先獨立測試的方式，并記錄測試結果：正確或出錯。全部正確后，再將各子模塊按照實際運行時的連接方式連接后進行測試，測試結果通過輸出狀態數據到測試設備進行分析，并記錄結果：正確或出錯。最后將模塊集成到實際的設備中進行系統測試，通過觀察系統的輸出進行判斷，記錄結果：正確或出錯。按照表2通信要求進行數據的發送、接收。

表2 功能測試信息表

3 數據庫實體關系及存儲

通過收集、整理和分析保護系統的資料，確定了存儲數據，主要包括文件資料、原始測量數據和經過誤差分析計算的派生數據。測試數據包含不同類型的板卡測試，相同類型的板卡又有不同項目的測試。例如TI溫度采集卡，需要測試其熱電偶模式下的電壓值、熱電阻模式下的電阻值、電源電阻值和計算得到的誤差值。把這幾種測試結果分別記錄到不同的表格中，并用外鍵的形式關聯起來，保證數據的完整性和一致性。待測板還包括AI模擬電流采集卡、VI模擬電壓采集卡、DI數字隔離輸入采集卡、FI脈沖信號采集卡、DO數字隔離輸出采集卡、RS485通信子卡和FPGA主板。數據庫實體關系如圖3所示。把不同的測試數據轉化為不同的關系表，把不同的參數和測試條件轉化為不同的屬性列，把現實世界中的測試數據映射存儲到關系式數據庫對應的數據表中[7]。

圖3 數據庫實體關系圖

在測試數量多，測試數據類型多樣的情況下，用手工錄入的方式幾乎是不可能的。因此采用數據庫接口批量導入的方法，讀取數據表格，將測試數據導入到數據庫中，將文件的存儲路徑存入數據庫表中。根據數據庫的規范化管理，建立符合范式的數據庫表格，給軟件開發層提供良好的底層數據基礎。

4 數據管理系統軟件開發

數據管理系統的開發采用目前成熟的C/S構架模式進行軟件開發，如圖4所示。按照軟件開發的流程，從需求分析、概要設計、詳細設計、編程開發和測試等步驟進行。

圖4 C/S架構模式示意圖

4.1 概要設計

在準確了解與分析用戶需求的基礎上，概要設計了包括業務及其數據流的劃分、數據接口驅動、模塊劃分和測試驗證等相關設計內容[8]。底層數據采用SQL Sever 2008數據庫管理系統進行存儲和管理，應用程序使用Delphi軟件進行開發，ODBC采用ADO數據庫連接技術實現。系統功能主要分為3個模塊，如圖5所示。其中：數據管理分為性能測試模塊、統計分析模塊以及功能測試模塊；文件管理分為文件分類管理和文件上傳下載子模塊；用戶管理分為用戶信息查詢和用戶信息修改子模塊。

圖5 功能分解圖

4.2 詳細設計

詳細設計主要規劃和設計如圖3所示的實體關系，包括實體的數據庫表結構定義，目標是滿足系統的數據存儲、管理、應用和分析使用。

4.3 編程開發

詳細編碼階段，文件管理模塊采用文檔管理服務器來控制所有文檔資料的操作，需要創建DCOM服務器，調用API函數實現托盤圖標，應用線程實現文件的上傳下載[9]。數據顯示模塊按照數據查詢需求調用查詢函數，使用DBgrid控件顯示數據。結果分析根據表1測試板合格標準，通過編寫代碼實現板卡測試結果合格與否的查詢，并使用DBchart控件實現誤差分析曲線的繪制。

4.4 測試使用

測試使用文件管理系統的主界面如圖6所示。用戶可根據需求選擇文件資源集，對應文件夾以樹形圖展示在左邊列表，并以文件的形式展示在右邊的文件列表中。用戶可以右鍵選擇進行文件及文件夾的添加、修改及刪除功能，并實現數據的上傳、下載功能。界面的通用性比較高，所有數據資料均可由用戶指定上傳下載。在整理時可以根據資料集分類存儲，文件夾也是一種良好的分類方法。用戶可以通過文件或者文件夾的名稱進行搜索功能，設計初期將工程的系統設計圖、設計明細、系統安裝圖導入其中進行了良好的試驗。

圖6 文件管理系統

測試數據主要是為了便于檢索，主界面的布局采用數據表的形式展示。從性能測試、功能測試以及統計分析三方面進行管理。性能測試按照板卡類型，板卡編號，測試內容選擇。板卡類型包括AI(VI、DI、FI、TI、DO)，板卡編號對應板卡類型，測試內容包括電阻測試和信號采集測試。用戶可根據需求查詢瀏覽表格中測試結果，如圖7所示。

圖7 測試結果

測試板的性能變化趨勢和統計分析從誤差表中獲取數據。根據所選板卡類型以及板卡編號點擊統計分析，把不同板卡用不同類型曲線表示，反映具體板卡的誤差變化趨勢，如圖8所示。可以通過消除按鍵刪除測試結果中明顯異常的變化曲線，以消除對整體趨勢的影響。

圖8 統計分析

5 結 語

本文分析了保護系統數據的多樣性及測試過程產生的數據，探討了測試工作中數據采集的方法。針對測試數據缺乏信息化、系統化的實際問題，提出了數據庫系統的開發的可行方案，設計了數據庫管理系統，解決了保護系統文件管理、測試數據的管理與查詢，為保護系統可靠性分析提供了重要依據。把保護系統模擬裝置數據管理軟件應用在現有的資料管理上，實現了資料的分類檢索、錄入和存儲。對測試數據的管理，實現了準確快速的查詢，給保護系統可靠性分析提供重要的依據。數據庫系統應用測試表明該數據庫使用速度快而且安全穩定。這一應用節約了用戶通過存儲介質管理文件檢索數據的空間和時間，給實際的工作中帶來了便利。TMSR-SF1保護系統測試數據是TMSR-SF1工程數據庫的組成部分，工程數據庫的數據種類更加繁多，對今后工程數據庫的建立具有參考價值。